新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-谐振式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（7）–谐振式传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（7）-谐振式传感器第五部分思考题（7）1.讨论右图所示的质量流量传感器实现智能化的基本原理。2.右下图的压力敏感结构，有法向加速度时会产生对压力测量的影响；是否可以依此结构进行改进设计，实现同时测量压力和加速度？若可以，给出敏感结构原理示意图，并说明设计思路。发表在MOOC讨论区里

模拟式传感器的拓扑结构模拟式传感器不仅可测位移，还可以测量应变、应力位移—静态（稳态）特性—测量原理扩展[]4谐振式传感器不仅可测频率，还可以测量幅值、相位谐振—周期运动—测量原理扩展[]谐振式传感器的拓扑结构谐振式是高性能数字式传感器55.7.1谐振式传感器的基础理论5.7.2谐振弦式压力传感器5.7.3谐振膜式压力传感器5.7.4谐振筒式压力传感器5.7.5谐振式直接质量流量传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器61.基本结构

谐振式传感器基本结构三个重要环节：(1)E，R，D组成电-机-电谐振子环节，是核心(2)E，R，D，A组成闭环自激环节，实现条件(3)R，D，O(C)组成的信号检测、输出环节5.7.1谐振式传感器的基础理论72.闭环系统的实现条件

谐振式传感器基本结构(1)复频域闭环自激系统实现的条件—幅值条件—相位条件(2)时域－幅值条件－相位条件整个工作频率范围内

均满足闭环自激条件5.7.1谐振式传感器的基础理论85.7.1谐振式传感器的基础理论3.谐振子的机械品质因数（1）定义及其计算针对能量的定义理想谐振状态针对实际振动系统固有角频率系统的归一化幅值频率响应幅值增益最大时，谐振角频率3.谐振子的机械品质因数（1）定义及其计算（2）提高品质因数的措施材料工艺设计环境5.7.1谐振式传感器的基础理论105.7.1谐振式传感器的基础理论5.7.2谐振弦式压力传感器5.7.3谐振膜式压力传感器5.7.4谐振筒式压力传感器5.7.5谐振式直接质量流量传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器115.7.2谐振弦式压力传感器1.基本结构敏感单元张紧的振弦激励、拾振单元磁铁线圈组件p2.特性方程3.闭环结构4.应用特点灵敏度高、精度高、结构简单、体积小、功耗低、惯性小、应用广泛125.7.1谐振式传感器的基础理论5.7.2谐振弦式压力传感器5.7.3谐振膜式压力传感器5.7.4谐振筒式压力传感器5.7.5谐振式直接质量流量传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器13敏感单元（圆平膜片）激励单元（电磁线圈）拾振单元（应变片）5.7.3谐振膜式压力传感器1.基本结构p2.特性方程14应变片

圆平膜片

电磁线圈5.7.3谐振膜式压力传感器p3.应用特点精度高、灵敏度高、体积小、质量小、结构简单等；但加工难度稍大些；已作为关键传感器应用于高性能超声速飞机上155.7.1谐振式传感器的基础理论5.7.2谐振弦式压力传感器5.7.3谐振膜式压力传感器5.7.4谐振筒式压力传感器5.7.5谐振式直接质量流量传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器16电磁激励、拾振方案(4，1)次振动模态电磁转换效率低，长期稳定性不高，易产生电磁耦合5.7.4谐振筒式压力传感器1.基本结构与实现方案p2.应用情况作为关键传感器应用于高性能超声速飞机上，解决了300m高度分层压电激励、拾振方案结构简单，转换效率高，易于小型化，功耗低，便于构成闭环系统；迟滞误差较大p175.7.1谐振式传感器的基础理论5.7.2谐振弦式压力传感器5.7.3谐振膜式压力传感器5.7.4谐振筒式压力传感器5.7.5谐振式直接质量流量传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器1.结构与工作原理2.信号检测电路3.密度的测量4.双组分流体的测量5.应用特点18基本原理：科里奥利效应(CoriolisEffect)与谐振测量参数：质量流量、密度应用领域：石油化工、造纸、机场地面测试系统精度：0.1％国内：总体性能达到国外产品先进水平5.7.5谐振式直接质量流量传感器1.结构与工作原理U形管一、二阶弯曲振动振形示意图195.7.5谐振式直接质量流量传感器1.结构与工作原理U形管质量流量传感器的数学模型谐振子绕CC’轴的弯曲主振动

产生的对DD’轴的力偶力偶使谐振子产生绕DD’

轴的扭转“副振动”稳态解B点B、B’两点产生了相位差B’点205.7.5谐振式直接质量流量传感器1.结构与工作原理U形管质量流量传感器的数学模型B点B’点B、B’两点相位差实用中满足条件

→若相位差较小时

B、B’两点信号之差、之和利用信号差与信号和的幅值比可以解算出质量流量→相位差幅值比测量管弹性系统等效刚度测量管弹性系统等效质量流体引起的附加等效质量5.7.5谐振式直接质量流量传感器2.密度的测量流体充满测量管时(实际测量情况)，系统固有角频率

→225.7.5谐振式直接质量流量传感器3.双组分流体的测量被测流体是两种不互溶混合液(如油和水)，可对双组分流体各自的质量流量与体积流量进行测量基于体积守恒与质量守恒的关系，在全测量管内

组分1与组分2在总体积中占有的比例

组分1与组分2在总质量中占有的比例

组分1与组分2各自的质量流量与体积流量实用中，双组分流体有物理互溶现象；可依实测，给出工程化处理方法

235.7.5谐振式直接质量流量传感器4.应用特点(1)

性能稳定，精度高，实时性好；是目前性能最好的直接测量质量流量的传感器

(2)

同时测流体密度，也可解算出体积流量，并可解算出两相流液体(如油和水)各自比例(包括体积流量和质量流量以及它们的累计量)

(3)

全数字式的信号解算，便于与计算机连接，构成智能化分布式计算机测控系统；易于解算出被测流体瞬时质量流量(kg/s)和累计质量(kg)

245.7.5谐振式直接质量流量传感器4.应用特点(1)

性能稳定，精度高，实时性好；是目前性能最好的直接测量质量流量的传感器

(2)

同时测流体密度，解算体积流量；解算两相流液体(如油和水)各自比例

(3)

全数字式的信号解算，便于与计算机连接，构成智能化分布式计算机测控系统；易于解算出被测流体瞬时质量流量(kg/s)和累计质量(kg)

谐振式质量流量传感器智能化功能示意图科氏效应→质量流量

谐振频率→流体密度

质量流量与密度

→体积流量

积分质量(体积)流量→质量(体积)数

→批控灌装控制信号

双组份流体物理属性→双组份信息

—智能化功能255.7.1谐振式传感器的基础理论5.7.2谐振弦式压力传感器5.7.3谐振膜式压力传感器5.7.4谐振筒式压力传感器5.7.5谐振式直接质量流量传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器1.压力传感器2.加速度传感器3.角速度传感器4.质量流量传感器265.7.6硅微结构谐振式传感器大气参数如何测量？27—英国DRUCK公司的RPT国外硅微结构谐振式压力传感器敏感结构“米”字梁

5.7.6硅微结构谐振式传感器28—日本横河与重庆川仪的EJA国外硅微结构谐振式压力传感器5.7.6硅微结构谐振式传感器敏感结构“H”字梁

295.7.6硅微结构谐振式传感器一种新型的“中”字形谐振式微机械压力传感器一种差动检测的“E”型谐振式微机械压力传感器谐振式MEMS压力传感器敏感结构“中”字梁

305.7.6硅微结构谐振式传感器1.压力传感器压力传感器原理结构315.7.6硅微结构谐振式传感器1.压力传感器梁谐振子激励拾振原理示意图梁谐振子闭环系统325.7.6硅微结构谐振式传感器1.压力传感器差动检测的微结构谐振式压力传感器二次敏感结构差动检测方式参数优化过程多参数敏感与干扰抑制335.7.6硅微结构谐振式